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Verfahren zur Herstellung einer Lötverbiindmg Zum Verbinden
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von Teilen aus pyrolytischem Graphit miteinander oder mit metallischen
Teilen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung
zum Verbinden von Teilen aus pyrolytischem Graphit miteinander oder mit metallischen
Teilen, die an der Verbindungsstelle über eine genügend große Fläche aufeinandergelegt
werden, wobei diese Fläche parallel zur Vorzugsrichtung im Teil aus dem pyrolytischen
Graphit, d.h. zur sogenannten Schichtung bzw. Richtung l'a, bn, in der die Wärme-
und Stromleitung wesentlich höher als senkrecht hierzu, d.h. in der Richtung Zc",
ist, liegt.
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Das Auftreten des neuen Werkstoffes mit dem Namen "Pyrolytischer Graphit"
hat zu zahlreichen Veröffentlichungen geführt, die sich damit beschäftigen, wie
aus einem derartigen Werkstoff bestehende Teile miteinander oder mit metallischen
Teilen verbunden werden können. So beschäftigt sich die DE-AS 1 256 516 mit einem
Hartlot zum Verbinden von Teilen aus Graphit, besonders Reaktorgraphit oder Pyrokohlenstoff
miteinander oder mit metallischen Teilen, wobei davon auszugehen ist, daß für dieses
Hartlöten von Teilen aus Graphit bei Temperaturen zwischen 1200 und 1800 0C ausgegangen
wird und es sich bei dem genannten Pyrokohlenstoff um eben diesen pyrolytischen
Graphit handelt. Weiterhin ist aus der DE-OS 1 671 185 ein Hartlot zum Verbinden
von Graphit mit Graphit oder feuerfesten Metallen bekannt, wobei insbesondere die
Metalle Molybdän und Wolfram oder deren Legierungen angesprochen sind. Dabei soll
die Lötung günstigerweise so erfolgen, daß die zu verlötenden Stellen in überlappende
Berührung gebracht und nach Aufgabe des Lots auf die Kontaktstellen in nicht oxidierender
Atmosphäre auf 1250 bis 1300 0C erhitzt werden.
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Auch zahlreiche andere Literaturstellen beschäftigen sich mit diesem
Thema, so z.B. die Literaturstelle Abt. Svarka (1967) S. 61 bis 64 mit dem Titel
"The Welding of Graphitic Carbon Substances", dann der Report "Joining Ceramics
and Graphite to other materials" aus dem Jahre 1968, herausgegeben von wTechnology
Utilization Division Office of Technology Utilization National Aeronautics and Space
Administration Washington D.C.", S. 67 bis 80. In diesem Artikel wird insbesondere
auf die Fig. 18 auf der S. 69 verwiesen, bei der im
Zusammenhang
mit der auf der gleichen Seite abgebildeten Fig. 19 die Vorzugsrichtungen vom pyrolytischen
Graphit hinsichtlich der kristallographischen Richtungen definiert ist, wobei also
hier die Ebene "a, bzw die Ebene ist, in der die Schichten liegen, während die Richtung
"eH die ist, die auf dieser Schichtung senkrecht steht. Weiterhin gibt es die Literaturstelle
"Welding Journal" Mai 1962, insbesondere S. 461 bis 469 mit dem Titel ~The brazing
of graphits" und schließlich in diesem Zusammenhang noch die Literaturstelle "Ceramic
Bulletin" von 1969 Nr. 7 S. 734 bis 736. In dieser sei insbesondere auf die Abb.
auf S. 736 linke Spalte verwiesen, die schematisch zeigt, wie für eine Verbindungsstelle,
d.h. eine Lötverbindung zwischen Teilen aus pyrolytischem Graphit oder diesem und
einem Metall, wie auf S. 734 beschrieben, das Lot in bezug auf die Schichtung im
pyrolytischem Graphit angeordnet werden muß, damit es zwecks optimaler Verankerung
in die Bereiche zwischen den einzelnen Schichten eindringen kann.
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Schließlich sind noch aus den Literaturstellen "Rundfunk Technische
Mitteilungen" 1977 S. 158 bis 161 und aus dem Prospekt ~INNOVATIONS" 1974 von Thomson
CSF Gnxpement Tubes Electroniques, Titelseite und Beschreibung bekannt, Elektroden
für Elektronenröhren als pyrolytischem Graphit auszuführen, wobei es sich hierbei
um strahlungsgekühlte Gitter handelt, die aufgrund der Eigenschaften des Werkstoffes
nicht nur sehr dünnwandig ausgeführt werden können, sondern auch bei großen Abmessungen
noch ein verhältnismäßig geringes Gewicht autweisen, dies insbesondere im Vergleich
zu den bisher bekannten
für derartige Röhren verwendeten Elektroden
bzw. Gitterelektroden aus metallenen Werkstoffen, wobei bei der zuletzt genannten
Literaturstelle noch die Befestigung für das Röhrengitter gezeigt ist. In der Nähe
dieser Befestigungsstelle weist das Gitter Ausnehmungen auf, damit die Wärme nach
Möglichkeit nicht an die Befestigungsstelle läuft, da bei einem strahlungsgekühlten
Gitter über die axiale Länge des Gitters gesehen möglichst kein Temperaturgefälle
auftreten soll. Die Befestigung ist dort mit Schrauben vorgenommen, die durch die
dargestellten Bohrungen hindurchgesteckt werden. Eine derartige Befestigungsart
ist sehr aufwendig und umiangsreich. Außerdem ist eine derartige Befestigungsart
nicht in größeren Temperaturbereichen hitzebeständig und eignet sich daher nur für
strahlungsgekühlte Gitter. Die Erfindung geht von diesem Stand der Technik aus.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine Befestigungsart in Form
einer Lötverbindung zum Verbinden von Teilen aus pyrolytischem Graphit miteinander
oder mit metallischen Teilen anzugeben, wobei diese Verbindungen insbesondere im
Elektronenröhrenbau von Interesse sind, die aber nun derart ausgeführt sind, daß
derartige Lötverbindungen sowohl für strahlungsgekühlte Elektroden, insbesondere
strahlungsgekühlte Gitter, als auch für leitungsgekühlte Elektroden, insbesondere
leitungsgekühlte Gitter, verwendbar sind. Die letztgenannten Elektroden werden Jetzt
noch am meisten für Röhren angewandt, bei denen Oxidkathoden mit Bariumbedampfung
verwendet werden, bei denen also die Temperatur in der Röhre etwa bei 700 ° liegt,
während die strahlungsgekühlten Elektroden bei Röhren verwendet werden, deren Kathoden
aus Wolfram, Wolfram-Torium oderdgl. bestehen und bei denen die Kathodentemperatur
etwa 1100 0C beträgt.
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Ein wesentlicher Nachteil einer mechanischen Schraubverbindung ist
auch darin z#ehen, daß die Elektroden in derartigen Elektronenröhren zwar sicher
befestigt sind, aber eine möglichst große Fläche für die hochfrequenten Ströme wird
nicht geschaffen, so daß die Röhre für die HF an diesen Anschlußstellen einen größeren
Spannungsabfall aufweist.
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Während also hier ein Beispiel aus den Elektronenröhrenbau, insbesondere
für Sendetrioden und Tetroden, gegeben wurde, so ist 3edoch eine Lötwerbindung nach
der Erfindung allgemein einsetzbar zum Verbinden von Teilen aus pyrolytischem Graphit
miteinander oder mit metallischen Teilen, wenn diese Verbindungsstelle entweder
großen Temperaturunterschieden im Betrieb nachher ausgesetzt ist oder wenn, wie
oben genannt, höher frequente elektrische Ströme über die Verbindungsstelle geführt
werden müssen.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand also darin, eine allen diesen Forderungen
gerecht werdende UStverbindung anzugeben. Der bekannte Stand der Technik zeigt Elektroden,
insbesondere Gi tte re lektroden für Elektronenröhren aus pyrolptischem Graphit,
und ferner im ~Ceramic Bulletin" 1969 S. 736 eine Lötverbindungsstelle, bei der
das Lot zu der Schichtstruktur im pyrolytischen Graphit derart angeordnet ist, und
zwar senkrecht auf den Stirnflächen, so daß es zwischen die einzelnen Schichten
des pyrolytischen Graphites eindringen kann.
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Zweckmäßigerweise werden dazu bekannte Lotlegierungen verwendet, bei
denen die eigentliche Bindung zwischen den zu
verbindenden Teilen
durch Formierung einer karbidischen Mischphase beim Lötvorgang zustande kommt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist bei einem Verfahren zur
Herstellung einer Lötverbindung der eingangs genannten Art die Aufgabe nach der
Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens das aus dem pyrolytischen Graphit bestehende
Metall an der späteren Verbindungsstelle mit einer in der Richtung liegenden Ausnehmung
versehen wird, dann die miteinander zu verbindenden Teile mit den genannten Flächen
derart aufeinandergelegt und derart hoch erhitzt werden, daß das Lot in die Ausnehmung
diese ausfüllend fließt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das eine der zu verbindenden
Teile eine Elektrode für eine Elektronenröhre sein und aus pyrolytischem Graphit
bestehen und das andere Teil der metallene Stromzuftlhrungsanschluß für diese Elektrode
sein.
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Weiterhin kann das aus dem pyrolytischen Graphit bestehende Teil blechförmig
mit einer Wandstärke von etwa 100 /um, das metallene Teil ebenfalls blechförmig
mit einer Wandstärke von etwa 20 #um und der Durchmesser der Ausnehmung etwa 20
betragen.
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Insbesondere zur Verwendung im Elektronenröhrenbau für Leistungsröhren,
und zwar für Trioden und Tetroden im VHF- und UHF-Bereich, können die metallischen
Teile U-förmig ausgebildet sein und das
aus dem pyrolytischen Graphit
bestehende Teil kann in diesem U, also zwischen den metallischen Teilen, eingelötet
sein. Die metallischen Teile können nicht nur U-förmigen Querschnitt aufweisen,
sondern auch ringförmig ausgebildet sein, da die meisten Elektroden rotationssymmetrisch
ausgebildet sind und kreisringförmige Anschlußteile aufweisen. Die Ausnehmungen
in der einen ringförmigen Halteansatz aufweisenden Elektroden können nach der Erfindung
in Form von Bohrungen und/oder in Umfangsrichtung verlaufenden Langlöchern oder
als umlaufender, durch Haltestege unterbrochener Schlitz angeordnet sein.
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Auch kann nach der Erfindung die Erhitzung an der Lötstelle punktuell
durch Laser- oder Elektronenstrahl erfolgen.
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Bei Einsatz der Erfindung wird eine sehr zweckmäßige und leicht zu
handhabende Lötverbindung geschaffen, die die eingangs bei der zur Aufgabe dieser
Erfindung behandelten Forderungen bestens erfüllt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Lötverbindung zwischen
einem Teil aus pyrolytischem Graphit und einem Metallteil mit einer Ausnehmung nur
im pyrolytischen Graphit, Fig. 2 eine Anordnung ähnlich Fig. 1, wobei die Ausnehmung
auch im metallenen Teil vorhanden ist,
Fig. 3 einen Schnitt einer
ringförmigen U-förmigen Halterung in senkrechter Richtung liegend, mit einem pyrolytischen
Graphitteil und beiderseits diesen fest umfassenden Metallteilen, Fig. 4 eine ähnliche
Anordnung wie in Fig. 3, nur in waagerechter Richtung, Fig. 5 eine ähnliche Anordnung
wie in Fig. 4, nur mit einer waagerechten Ableitung bzw. Weiterführung des einen
metallenen Teiles, Fig. 6 eine Anordnung ähnlich Fig. 2 mit einer durchgehenden
Ausnehmung zwischen zwei Metallteilen und zwischen diesen liegendem Teil aus pyrolytischem
Graphit, und Fig. 7 eine Draufsicht auf einen unteren Ansatzteil einer Elektrode
für eine Elektronenröhre.
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In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das Teil aus dem pyrolytischen Graphit
bezeichnet. In diesem Teil sind parallel zur Oberfläche Striche eingezeichnet worden,
um die Schichtung des pyrolytischen Graphites darzustellen. Dieses Teil wird nach
dem Verfahren nach der Erfindung mit einem metallenen Teil verbunden, und zwar durch
Lötung. Dabei wird zur Herstellung einer Lötverbindung nach Fig. 1 nur das Teil
aus dem pyrolytischen Graphit, nämlich das Teil 1, mit einer Ausnehmung an der Verbindungsstelle
versehen, während es in Fig. 2 beide Teile sind, die mit Ausnehmungen versehen werden
müssen.
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In diese Ausnehmung wird dann in einer angepaßten Vorrichtung das
Lot, wie oben im bekannten Stand der Technik beschrieben, so hineingeführt, daß
es in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 im Bereich 3 in die Schichtung des pyrolytischen
Graphites des
Teiles 1 etwas eindringen kann, im Bereich 4 großflächig,
d.h.
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verhältnismäßig großflächig, auf dem metallenen Teil 2 aufliegt und
schließlich an den Teilen 5 an weiteren Abfließen gehindert wird, so daß hier ein
gewisser mechanischer Halt gegeben wird, was sich insbesondere auf das obere Teil
auf der freien Oberfläche des pyrolytischen Graphites, d.h. auf der freien Oberfläche
des Teiles 1, bezieht. In Fig. 2 ist die Lötung ähnlich, nur ist hier bei der Herstellung
der Lötverbindung kein Abstand, d.h. gewisser Abstand, zwischen den zueinanderliegenden
Oberflächen des Teiles 1 und 2 eingehalten, sondern die Teile liegen direkt aufeinander,
da nämlich in diesem Fall das Lot die mechanische Festigkeit liefert, weil es durch
die entsprechende Ausnehmung im Bereich 6 durch das aus Metall bestehende Teil 2
hindurchragt.
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Die Wandstärken können dabei für Teil 1 100 lum, für Teil 2 20 /um
und für den Durchmesser des Lotes im Bereich 6 etwa auch 20 /um sein. Die Herstellung
der Verbindungsstelle nach Fig. 1 oder Fig. 2 kann derart erfolgen, daß in einer
entsprechenden Vorrichtung das Lot eingepreßt wird, was bei den hohen zu verwendeten
Temperaturen recht schwierig ist.
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Zweckmäßiger ist es daher, an der Verbindungsstelle, also dort, wo
das Lot später ausfließen muß, einen entsprechenden Dors z.B. in Form eines Nietes,
einzusetzen und dann die Verbindungsstelle zu erhitzen, wobei das Lot dann in die
Form fließt, wie sie in den Fig. 1 und 2 angedeutet ist.
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Fig. 3 zeigt nun eine derartige Lötverbindung in einer praktischen
Anwendung. Hierbei ist das Teil 1 gleichzeitig der
untere Ansatz
eines ringförmigen Gitters für eine Elektronenröhre und die Metallteile 2 umfassen
dieses Gitter etwa U-förmig. Sie bestehen aus Metall und die Lötverbindung kann
nun derart hergestellt werden, daß zunächst das linke Teil 2 an der Verbindungsstelle
7 auf das rechte Teil 2 aufgeschweißt wird, da das rechte Teil 2 auch den Schenkel
des U darstellt und das weiterhin nach außen zu dem Elektrodenanschluß der Röhre
durchgeführt ist. Dann entsteht ein ringförmiger U-förn#iger Einschnitt in diesen
beiden Teilen, in denen das aus pyrolytischem Graphit bestehende Teil 1, also der
untere Ansatz eines Gitters für eine Elektronenröhre, eingesetzt werden kann. Dann
können rechts und links, z.B. an den Stellen 8 neben dem Teil 1, entsprechend bemessene
Lotringe eingelegt werden. Danach wird dann die Verbindungsstelle erhitzt und das
Lot läuft, wenn der Abstand zwischen den Teilen 1 und 2 an der Verbindungsstelle
richtig bemessen ist, nach unten durch, wobei auch zusätzlich noch unten an der
Auflagestelle des Teiles 1, also an der inneren Seite des Schenkels des U bei 9
ein Lot ebenfalls eingelegt werden kann. Dies ist natürlich auch, wie in den Fig.
1 und 2 gezeigt, möglich durch Einbringen eines entsprechenden Lotringes an der
Stelle 10, also dort, wo die Hauptverbindungsstelle ist. Beim Erhitzen dringt dann
das Lot so in die Lötverbindung ein, wie in Fig. 3 gezeigt.
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Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 3. Nur ist hier die
Verbindung genauso herzustellen, aber in der Gebrauchslage später liegt der untere
Ansatz, z.B. der Gitterelektrode für eine Elektronenröhre, in waagerechter Richtung.
Das eine Teil 2,
das nach außen führt, ist dann z.B. senkrecht
nach unten ausgeführt, wie bei 11 in Fig. 4 gezeichnet oder waagerecht, wie bei
12 in Fig. 5 gezeichnet. Ansonsten ist die Fig. 5 der Fig. 4 recht ähnlich.
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Fig. 6 zeigt schließlich eine Verbindungsstelle ganz allgemein zwischen
zwei metallischen Teilen 2 und einem Teil 1 aus pyrolytischem Graphit, wobei aber
in diesem Falle die Ausnehmungen in der Fig. 6, also eine Bohrung, durch die beiden
Metallteile 2 und das pyrolytische Teil 1 hindurchragt.
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Fig. 7 zeigt schließlich eine Draufsicht auf die Befestigungsart für
ein Gitter für eine Elektronenröhre, und zwar in einem Ausschnitt. Das mit 12 bezeichnete
Teil ist das Gitter der Elektronenröhre, also entsprechend dem Teil 1 und besteht
aus pyrolytischem Graphit. Das mit 13 bezeichnete Teil ist das metallene Halteteil,
auf dem die Gitterelektrode 12 befestigt ist. Nun können also, wie z.B. in der Fig.
6 gezeigt, Bohrungen 14 angeordnet sein oder auch ein länglicher Schlitz 15. Es
braucht nicht besonders dargestellt zu werden, daß dieser längliche Schlitz 15 ganz
herum geführt werden kann, d.h. über 360 O so daß dann die Elektrode für eine Elektronenröhre
auf ihrem ganzen Umfang gleichmäßig befestigt ist, wobei dieser umlaufende Schlitz
durch mehrere in radialer oder auch ganz oder teilweise in axialer Richtung verlaufende
Haltestege unterbrochen ist.
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Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die Erhitzung der Lötstelle
in an sich bekannter Weise nach der Erfindung durch eine punktuelle Erhitzung erfolgen
kann, z.B. durch einen Laser-oder auch Ele#'#tronenstrahl.
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